ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－－８９７２．２０１３．０３．０２０ 南官庄煤矿采空区治理方案 李亮张涛 中国华西工程设计建设有限公司，河南郑州４５００００ 摘要 本章通过分析南官庄煤矿的具体情况，对南 官庄煤矿采空区稳定性进行评价，并根据评 价结论采用注浆方案对采空区进行治理，保 最大剩余水平变形： 。 ＝±５．２８ ｍｍ／ｍ～±３．５２ｍｍ／ｍ 根据 高速公路采空区（空洞）勘察设 计与施工治理手册》关于路基允许变形值的 ４．１采空区治理设计原则 南官庄煤矿采空区处理时需要考虑所处 环境的特点、工程地质情况、建筑材料的供 应以及施工所需时间等因素的前提下，采用 证高速公路的正常运营。 关键词 采空区；稳定性；注浆 巩义至登封高速公路项目起点位于巩义 市北部站街镇，通过设置站街枢纽互通式立 交与连霍高速公路相连接；终点位于登封市 东北部唐庄乡，通过程堂枢纽互通式立交与 郑少洛、永登高速公路相连。 南官庄煤矿开采为山西组二１煤层， 煤层倾向３２０。，倾角平均３６。，采用走 向长壁倾斜分层采煤法，顶板管理为全 垮落法，煤层厚度在６．５ｍ～１ ５ｍ，平均 厚度ｌ０．１ ３ｍ，平均采高为３．３ｍ（倾斜煤 层），回采率约为７５％。批准的开采深度为 ２２０ｍ～８０ｍ。现在已部分开采止＋１ ５０ｍ高 程。采空 ：已塌陷，最深塌陷达ｌｍ左右， 省道￥２３７公路在该段立有“煤矿塌陷区” 的警示牌。根据勘察结果，路线从南官庄煤 矿采空区Ｋ８＋８８１～Ｋ９＋１５０段通过，该段设 计为路基，由于该矿采空区为１９８４～２００５年 所采，停采时间较短，采厚较大，对路线影 响较大。 ２采空区稳定性评价原则 在地质调查、采矿调查的基础上，本着 宏观分析与稳定性验算相结合的原则，结合 煤层采取率、已开采煤矿的厚度、开采煤矿 时的开采方式、已开采煤层的倾斜角度、采 矿完成后至今的时间等，通过估算本项目施 ［时采空区经过５年沉降后的最大剩余变形 量进行评价。所采用计算公式见《矿山开采 沉陷学＊。 ３采空区的稳定性评价 南官庄采空区为２００５年以前开采，煤层 的平均采厚为３．３ｍ，采深８０ｍ～１４０ｍ，走 向长壁式开采，顶板全垮落法管理，煤层尚 有２５％未被开采。本项目施工时，煤矿仅停 止开采５年，未充分塌陷。预计最大剩余沉 降量还有总沉降量的１ ５％（即ｏ【＝０．１５）。 Ｆ沉系数取ｎ＝０．８５，ｔｇ ｐ：２．２，水平移动 系数ｂ＝０．３，估算的结果如下： 最大沉降量：ｗ 。 ＝２８０５ｍｍ 最大剩余沉降量：Ｗ￣１＝４２０．７５ｒａｍ 最大剩余倾斜量： ｉ ＝１１．５７ｍｍ／ｍ～７．７１ｍｍ／ｍ 最大剩余竖曲率： ｋ ＝±０．４８４～±０．２１５×１０ ／ｍ 最大剩余水平位移：ｕ Ｉ＝１２６．２３ｒａｍ 规定和《建（构）筑物、水体、铁路及主要 先进的技术、经济效应最好的措施，满足巩 井巷煤柱留设及压煤开采规程》的有关规 登高速通车的各项功能。坚持一次根治，不 定，南官庄煤矿采空区的剩余沉降量大于规 留后患的原则。保证经过相应措施治理后的 范所规定的最大剩余沉降量，表明其处于缓 公路路基在公路运营期间，地基的变形应满 慢沉降阶段，必须采用措施进行处理。剩余 足公路工程对地基稳定性的要求，不产生超 变形以较快的水平移动和沉降为特征。 过公路工程允许的变形。 ４．２采空区治理设计方案 ４采空区治理设计 根据 公路路基设计规范》（ＪＴＧ Ｄ３０一 一一 撮警 魂 ． 一镐 宦鬯 Ｙ 要岩垮ｊ 度 釜潞路蜓 第｛嘎茉秘敲物 ０ 一 一 ０ ０一一 ． 一 “ … ． 一 一． ｜ 一一 一一 一 ０ 一 一 『袋空匡鞯响宽鹰 图１ 影响带 采空区范嗣 影响带 公路路堤 第四系松散物 ｎ ： ▲ 覆糟 № １ 采空 采空 影响宽度 图２ 表１南官庄采空区地表移动角及系数一览表 冲击层移 走向移 上 Ｉ移 卜ＩＩｉ移动 水平移动 主要影响角正 矿别 动角中 动角 动角Ｙ 角口 下沉系数ｎ 系数ｂ 切ｔｇ 南官庄 ４５ ７２ ７４ ６７ 多次采用０．８５ ０．３（） ２．２ —６０— ２００４）７．１５．２采空区处治，最终选择注浆 表２南官庄煤矿采空区影响路线段剩余空洞体积估算表 治理方案作为南官庄煤矿采空区治理方案。 里程 采厚 采空区平 采空区 采取率 剩余空 危害 ４．３设计标准 （ｋｍ＋ｍ） 矿名 （啊） 均斜宽ｍ 长度 （％） 洞体积 程度 根据《高速公路采空区（空洞）勘察设 （船） （艟３） 计与施工治理手册》和Ｒ建（构）筑物、水 Ｋ８＋８８１～ 体、铁路及主要井巷煤柱留设及压煤开采规 Ｋ９十ｌ５Ｏ 南官庄 ３．３ ｌ２２ ２６９ ７５ ｌ２１８４ 较严重 程》，选取以下变形值作为公路采空区路 基的允许变形值： 倾斜：ｉ≤±３ｍｍ／ＩＴ／ 竖曲率：ｋ≤±０．２×１０ ／ｍ 水平变形：￡≤±２ｍｍ／ｍ ４．４采空区剩余空洞体积估算 （１）采空区影响范围的确定方法 南官庄采空区对高速公路横向的影响宽 度，是以路基两侧边坡坡脚为起点，向两侧 第四系松散沉积层按移动角中考虑，ｖ为基 岩上山方向移动角，ｐ为基岩下山方向移动 角。 南官庄采空区影响巩登高速公路轴线的 长度，是以采空区范围和煤层上山、下山方 向上影响范围为界。图中 为第四系松散层 移动角，Ｙ为基岩上山方向移动角，ｐ为基 岩下山方向移动角。 （２）剩余空洞体积估算 煤层被采后所形成的空洞经过沉降及围 岩填充后，其所剩余空洞体积为： 截至目前剩余采空区的体积（Ｖ）： Ｖ＝Ｖａ一△Ｖ 式中： Ｖａ为开采完成后的总空洞体积，其值 为：Ｖａ＝Ｓ×Ｍ×Ｋ ’ 图３采空区治理范围平面图 式中：ｓ为采空塌陷区面积，Ｍ为经调 表３施工图阶段南官庄煤矿采空区注浆治理工程量一览表（一） （钻探工程） 查所得知的煤层厚度，Ｋ为煤层回采率。 △Ｖ为截至目前已经沉降变形的冒落岩 瓤 耋孔 钒给ｉ壹 ） 石碎胀所充填体积。 根据以往类似工程的实际经验，采 芷｛ 龌衅 德 ㈩ 娃 （［１ｊ ９１ ｊ （Ｉ１ ３ 糠（十 ） …簸（置蛊蠊 矩Ｉ】 敬 空区形成５～８年以后，约有总变形量的 ＿ ８Ｏ％～９０％已完成，剩余１Ｏ％～２Ｏ％左右； 队 ｂＩ ！醪 Ｉ２２ １｛ｌｌ１５２Ｉ４ ｔ 鼢 ｛｛】１． ｌ８． ｌ｝ｌｃ ２ ｌ２０ ５ ２４骋 ｌ艄 采空区形成３～５年以后，约有总变形量的 ７Ｏ％～８Ｏ％已完成，剩余２０％～３０％左右。如 表４施工图阶段南官庄煤矿采空区注浆治理工程量一览表（二） （注浆工程） 果在这段时间内，覆岩尚未完全塌陷，则地 表剩余变形量将会更大，剩余变形量将在若 注黎孔注摹 蜘擐撞囊 干年后缓慢完成。 醯号 处理长度蝴 警均处理 襞菠舯童量 剩余沉降系数南官庄煤矿取０．１５。 宽度 重羲阶） 葱幕霞 菠菜量《 ） 婊：采茬礴藻炭＿ｉ：１．３＇采麓 蘑相２“ 氯内洼蘧 在计算过程中，采空区在路线横向的宽 求【ｌｊ ｊＩ【最（ｔ） 靴黻ｆｔ｝ 《Ｉ，孔） 度按计算确定，在路线纵向的计算长度按采 舡８ｌｌ￣‘９４ｌ鲥 ２６’ ｌ２２ ５２ ５５，４ １ ２５６４．褥 瑚７。１７ ２９３２．铝 ｌｊ＂．９ｌ ｌ！ ／１ 空区长度取定。 ４．５采空区注浆量估算 ４．６注浆孔布设 研究结果表明，南官庄煤矿采空区经过上述 按《高速公路采空区（空洞）勘察设计 根据《高速公路采空区（空洞）勘察设 方案进行治理后，能有效地达到处理的预期 与施工治理手册》，注浆总量按以下公式计 计与施工治理手册》中第５．３．２节关于采空 目标，能够满足规范所规定的高速公路路基 算： 区洼浆设计的有关规定和表５—１（注浆孔和 要求，保证公路安全营运。 Ｑ ＝Ａ×Ｓ×ｉＴｔ×Ｋ× Ｖ×ｎ／Ｃ 帷幕孔排距和孔距经验值一览表），南官庄 式中： 煤矿采空区注浆孔设计为沿公路轴线按排布 Ｑ ——采空区总注浆量（ｍ３） 设，梅花状布孔，煤矿为壁式开采，连通性 参考文献 Ａ——注浆总量浆液损耗系数 相对较好，排距为２５ｍ，孔距为２５ｍ。在治 …曹祥伟，蔡寅峰，郭忠林．采空区处理技术 Ｓ——采空区治理面积 理区最边缘设置一排注浆孔，孔距为２０ｍ。 的分析研究［Ｊ］．铜业工程，２０Ｏ５（ｆ） ［２】吴兆营，薄号山，杜国林，刘德东，刘红 ｍ——采厚 注浆孔顶标高为地面标高，底标高为采 帅．采空区对地表稳定性的影响［Ｊ】．自然灾害学 Ｋ——回采率 空区冒落带标高；灌浆孔顶标高为开采煤层 报，２ｏｏ４（￣） Ｖ——采空区剩余空隙率 上部岩层顶面以下１０ｍ处标高，底标高为采 ［３］李纯青，姚香，采空区处理新技术的理论研 ｎ——注浆充填系数 空区底板标高，孔口管顶标高为地面，底标 Ｃ——浆液结石率 高为基岩下１０ｍ变径处的标高。 究及应用实践［ＪＪ．黄金，２００４（５） 在实际灌浆施工过程中，浆液会不可避 作者简介 免的向四周围岩以及坍塌至空洞处所堆积的 破碎岩层中的裂缝进行渗透，为保证剩余空 ５结语 李亮（１ ９８３一）男 本科，助理工程师．供 职于中国华西工程设计建设有限公司，研究方 洞能够有效的进行处理，注浆总量浆液损耗 向为路基路面工程。 系数按１．１考虑。浆液的结石率为８０％，浆 南官庄煤矿采空区停采时间已达５年， 张涛（１ ９８０一）．男．本科．助理工程师．供 液对采空区及上覆岩层中的裂隙、裂缝的充 变形活跃期已过，现在已进入变形衰退期。 职于中国华西工程设计建设有限公司，研究方 填率为７５％，则估算出最终注浆体积。 现在采空区的变形主要是地面沉陷和裂缝。 向为桥梁及立交工程。 ６１一
